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我们的队伍向太阳 精选

已有 6232 次阅读 2017-1-11 09:43 |个人分类:科普集锦|系统分类:观点评述|关键词:光伏技术 太阳能 GEIDCO 全球能源互联网 JCAP 互动电网

我们的队伍向太阳—光伏技术的回顾和展望

我几天前撰写了“光伏产业的旗手是中国人”一文,文章指出:光伏产业终于崛起,中国将是领跑和受益者。中国的光伏产业大军就是向着太阳获取正能量的队伍,这是一支值得所有人尊重的队伍。为了进一步了解中国光伏产业的过去、现在和未来,本文的第一部份将引用美国能源领域专家学者的一些分析和评价,我觉得从可敬的对手的眼光中看自己可能更为透彻和深刻。

中国光伏技术的崛起开始于20世纪90年代的后期,当时德国政府利用税收优惠大力推广屋顶太阳能电池板计划,德国提供资金、技术和专家吸引中国制造太阳能电池板以满足德国国内的强劲需求。中国政府因势利导紧紧地抓住了这个难得的好机遇。

当时中国的光伏产业还在萌芽状态,主要为远离电网的贫困农村地区提供生活用电。制造出口德国的太阳能电池板赚取外汇启动了中国光伏产业的现代化,当西班牙和意大利等国也加入太阳能激励计划后,中国光伏产业开始策马狂奔。中国在全球招兵买马,引进国外光伏技术专家,购买大型生产设备和多晶硅材料,以满足大量来自国外的太阳能电池板订单。

中国政府在这场产业革命中成为了主要推手。发展可再生能源列入中国五年计划中特别关注的七大项目之一,享受贷款和税收优惠。中央政府筹集高达470亿美元将光伏产业打造成所谓的“战略产业”。

其结果是:中国建立起了世界上最大的光伏产业;成为了世界光伏市场上价格领导者;生产出最便宜的太阳能电池板;并成为全世界太阳能电池板的最大供应商,中国每生产两块太阳能电池板,其中必有一块是为海外客户提供的。

只用了十多年时间,中国强大的生产能力造成了全球光伏产品的过剩,这时欧美经济又正好进入衰退期,中国光伏产业迎来了寒冬。面对严峻的形势,据乔治华盛顿大学的专家Ronen说,中国决定再次追随德国模式,制定自己的“上网电价”,推动国内自已的屋顶太阳能发电计划。结果是国内对太阳能的需求激增,以至于不到两年,2015年中国国内光伏市场就超越德国成为世界第一。

2016年中国试图通过设定财政补贴的最后期限,为了赶上末班车,国内光伏电站建设掀起了另一波高潮。2016的上半年中国新增光伏发电容量达20千兆瓦(三峡水电站总装机容量为22.5千兆瓦)。整个美国的光伏容量仅为31千兆瓦。中国光伏产业的华丽的转身使世人惊叹。

美国可再生能源实验室的战略能源分析中心主任David Mooney说:“人们倾向于认为中国已经夺走了光伏能源市场份额,如果这种能力留在美国本来会更好。”

“从我的角度来看,硬币也有它的另一面,”他说,美国在太阳能电池板集成、安装和维护等领域产生了25万个工作岗位。如果没有中国的推动大大降低了太阳能电池组件价格,这其中许多工作机会是不会产生的。“而这些工作是不能外包的”他说。美国还是不缺明白人。

中国促进太阳能市场全球增长的计划仍在紧锣密鼓地进行中。 2016年10月,中国国家电网的前董事长刘振亚来到联合国,向全世界展示了中国进一步发展太阳能事业的宏伟蓝图,这个计划的主旨是建设全球性电网。

他在演讲中呼吁联合国支持一个新成立的称作为全球能源互联发展与合作组织(GEIDCO),中国政府已经命名刘先生为其主席,这个组织的宗旨是促进建立“全球能源互联网”。他指出这个全球性电网到2050年可以传输80%的可再生能源,将太阳能,风能和水力发电的电力从地球上充足的地方传输到缺乏能源的人口中心地带。

“全球能源互联网”将分三个阶段形成。首先,刘解释说,每个国家将重新设计和升级自己的电力网。他指出,中国的努力已经开始,产生了140千兆瓦的风力和70千兆瓦的太阳能电力,它将超过世界任何国家。通过建设长距离、高压直流电源网络,将可再生能源从北向南、从东向西传送。据他预测,中国可以在2025年之前完成新电网。

他说,第二阶段是建立区域电网。全球分为三块区域:东北亚和东南亚、非洲和欧亚大陆以及北美和南美国家,在区域的内部跨越国境传输更多的电力。第三阶段将建造连接区域电网的主干电力线和海底电缆。这种结果将产生他所谓的“双赢局面”。

当全球能源互联网完成后,“世界将变成一个和平与和谐的地球村,我们将有足够的能源、绿色的土地和蓝天,”他预言。中国GEIDCO提案可能会产生多少和谐,仍有待观察,但联合国新闻稿指出,70个组织的代表参加了会议,包括政府组织,企业和大学。美国代表团包括来自美国能源部的阿贡国家实验室和斯坦福大学的专家学者。

 

 

下面回答两个有关光伏技术的问题

1)前几年有中国工程院一位院士说,太阳能电池在制造过程中所消耗的电能超过它life-cycle所产生的电能,所以它不是可持续发展的能源。对此你有何看法?

这个问题可以用数据来回答的。太阳能电池有一个重要的技术指标,称谓光伏能量回收期EPT(Energy Payback Time),EPT是光伏行业非常重要的一个能耗技术指标。俗话说化钱才能赚钱,同样节能也需先耗能。EPT这个数据定量地给出了光伏电池启用后,究竟需要多少年才可以把它产生的干净能量抵消制造过程中消耗的能量。把光伏电池平均使用寿命减去EPT,就是它可以有多长时间产生清洁电能(即作出纯贡献的年份),当然EPT数值越小越好。

数据显示,目前光伏发电能源回收期大概在2-5年。回顾上世纪的数据,80年代光伏发电的EPT长达5-10年之久,90年代光伏能量回收期缩短为3至8年左右了。隨着光伏产业的技术进步,光伏能量回收期还在进一步缩短,未来光伏能源回收期可降至1-2年以内。由此可知,光伏电池有25以上的时间“全芯全意”、“无怨无灰”地为人们贡献清洁能源。

 

2)光伏产业是否为高污染产业?

在整个光伏产业链中,除了硅材料生产环节,其他的中下游环节基本不存在污染。目前,全球80%以上的多晶硅都是用“改良西门子法”生产的,中国的多晶硅产业基本也是如此。

改良西门子法的原理是:以氯化氢和冶金级工业硅为原料,制取三氯氢硅,再利用三氯氢硅进行氢还原,生产出多晶硅。在多晶硅的生产过程中的前期反应中,会产生大量四氯化硅(SiCl4)、二氯二氢硅等副产物,而第二阶段合成工序也会再产生10%~15%的四氯化硅,有害副产物比例最大的就是四氯化硅。

现在国际上领先的硅料厂家对有害物质处理方式是:四氯化硅一部分加氢形成TCS继续循环反应,一部分被用作有机硅等其他产品的生产。不过从目前来看,通过氢化进入循环反应的副产物只有小部分,大部分还是要进行再处理,处理方式要么进行碱液中和,要么直接销售或者自行生产其他产品,而最具可行性和经济性的方式就是利用四氯化硅生产其他产品。

纵观世界科技发展史,工业革命的二重性从来就无法完全避开,光伏产业的发展当然也不例外。这既是一个环境问题,也是一个发展问题,但归根到底是个发展的问题。技术是否领先,是控制副产品污染的一个关键因素,因噎废食总不是一个好的解决方式。我常说:在人际交往中“朝后退一步海阔天空”,但在科技领域中只有向前进一步方能绝处逢生。

光伏发电和储能技术的一些新进展

光伏技术的一个致命缺陷是受制于日夜交替和天气变化,在看天吃饭这一点上,它甚至比农业生产还不如。光伏电能的各项参数从电力网标准看很不理想,有时候也不能一味的责怪电网拒收。目前来看,光伏电站和电网应该互相理解通力合作。首要的是加速发展储能技术,抽水蓄能可能是最有效的方案,磁悬浮动力轮和其它一些方法也应加以重视。电网则应加速电力产业全流程的智能化、信息化、分级化和互动管理,提高和完善清洁能源的接纳能力。同时加速建设东西走向的直流超高压输电线路,使西部的光伏电能可以大容量、低损耗地输送到国家中部和东部的缺电地区。上述几项工作实际上正是中国能源专家提出的“互动电网”的重要组成部分,我对此是相当乐观的。

除了智能电网方案以外,另一项技术有可能对大阳能利用产生革命性影响。美国人工光合作用联合研究中心 JCAP(Joint Center for Artificial Photosynthesis)的化学家Nathan Lewis指出:可以利用太阳光把二氧化碳和水直接变为碳氢化合物液态燃料(如甲醇),这将整个改变能源业界的游戏规则。

人工光合作用产油(又称阳光变油)的好处是多方面的,在能量的产生、运输和消费过程中二氧化碳是循环使用的,不会增加大气中的碳排放。目前使用的大量的交通工具和用油没备都不需改动,可以直接使用来自太阳能的人造燃油。事实上人类这几百年用的油气也都来自太阳能,它们是上千万年里通过植物的光合作用产生的。

把太阳能变成碳氢燃料中的化学能的最大好处是利于储存运输。必须知道:最好的一公斤重的电池大约可以储存200瓦时,而一立升燃油的能量是140,000瓦时。没有任何东西的化学储能密度可以与燃油相比,这也是为什么你看不到纯电动的长途卡车和电动长途民航客机的原因。

如果真的可以高效便宜地用阳光直接制成燃油,那么这星球上最丰富的能源与最佳的储存方式就联系在了一起,人类在可预见的将来就有了取之不尽、用之不竭的可再生能源。毕竟,太阳投射到地球上一小时的能量可满足目前人类文明一年的能量需求。人工光合作用产油技术目前还只停留在实验室里,乐观的估计大约需要十年的努力才能进入工程试验阶段,但也许它只能终老在实验室里,目前下定论可能为时过早。

 

非常期待中国的科技人员能在光电转换和储能技术上有更大的技术突破。中国人在水稻种植技术上长期领先世界,从物理学角度来看,水稻生产就是一种高效捕获太阳能的技术,而且晒干后储藏的稻谷就是历史上最好的一种储能技术。辉煌的中华文明是建立在水稻种植技术上的,中国人利用植物光合作用捕获大阳能并妥善地储存太阳能的技术到达了这个星球上的顶峯。最近的几十年里,中国的水稻专家袁隆平先生把水稻种植技术又推到了一个新的高度,世上无人能于之争锋。

光伏技术其实就是人工光合作用,但愿在这个领域也能出一个袁隆平式的英雄人物,在光伏发电和储能技术作出突破性成果,让中国人在转换、储存和应用太阳能方面再次取得世界领先地位。物理学告诉我们,能量决定一切,一个文明的高度很大程度上取决于它获得和掌控能源的技术水平。中国已经在光伏攻坚战的第一阶段中取得了决定性胜利,衷心希望中国能在光伏的储能和联网的技术上取得革命性的突破。

向前 向前 向前! 我们的队伍向太阳, 脚踏着祖国的大地, 背负着民族的希望, 我们是一支不可战胜的力量。 ...


本文首发于观察者网 2017年1月3日。



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